薄炉墙焦炉传热理论研究

严文福¹ ，晏善成¹，姜玉山²
（1 安徽工业大学 化学与化工学院，安徽 马鞍山 243002；
2 河南天宏焦化公司，河南 平顶山 467021）

摘　要：对炉墙的不稳定传热公式进行了推导，并用有限差量法对炉墙的热流和温度的变化进行详细计算，得出了炉墙厚度减薄后碳化室侧墙面温度的下降值反而略有减小、炉墙温度反而略有增加的重要结论。
关键词：焦炉；薄炉墙；炉墙温度；有限差量法
中图分类号：TQ522.15　　 文献标识码：A　　 文章编号：1004-4620（2005）01-0028-03

Theory Study in Coke Oven's Heating Transfer of Thin Wall

YAN Wen-fu¹, YAN Shan-cheng¹, JIANG Yu-shan²
(1 School of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University of Technology, MaanShan 243002, China;
2 Henan Tianhong Coking Plant, Pingdingshan 467021, China)

Abstract: Deduces the factors of wall unstable heat, and computes the wall heat stream and temperature change carefully by finite difference method come to the result: after the wall is thinner, the side chamber temperature is decreasing slower than before, which wall temperature increase at a slim.
Key words: coke oven; thin wall; chamber wall temperature; finite difference method

　　由于短流程炼钢受到一定条件的限制以及直接还原法炼铁工艺还不能作为突破性技术取代大型高炉，故大型高炉的发展在未来的铁水生产中仍起着重要作用。而炼铁所需优质焦炭又是必不可少的，因而炼焦工业发展面临着一个新的机遇。但由于欧美、日本等西方国家焦炉炉龄的老化以及无限高的环保要求，迫使焦炭产量近几年大幅下降。发展中的中国是产煤大国，而炼焦技术也已趋向成熟，因而发展炼焦工业是势不可挡的。作者认为当今我国炼焦工业发展的主要方向是：（1）焦炉大型化，目前德国TKS碳化室容积已达90m³，但我国焦炉仍停留在40m³左右。因此建造更高、更宽的碳化室焦炉是重要方向。（2）提高结焦速度，改进焦炉炉墙材质和建造薄炉墙焦炉。（3）提高机械化、自动化水平，四大车实现自动连锁及定位，无人操作系统，焦炉加热实现全自动控制。（4）扩大煤源，实现数据库优化配煤，提高焦炭质量、降低成本。
　　本研究主要运用不稳定传热的有限差量法,计算炉墙减薄前、后传热量与蓄热量变化的情况,并估算炉墙减薄后碳化室炉墙面温度的变化值。通过计算,从理论上论证炉墙减薄的可能性和经济效益。

1 碳化室炉墙的调节作用

　　碳化室炉墙除了要求稳固、严密和足够的砌体强度外，还必须考虑由于碳化室周期装煤出焦引起的温度变化对炉墙寿命的影响以及燃烧室对碳化室的传热速率。因此炉墙的重要作用是调节从燃烧室传给碳化室中煤料的热量。炉墙厚度既关系到蓄热量的大小，又影响传热速度的高低。当炉墙厚度减小后，蓄热量减少，结焦初期由于碳化室墙面与煤料间有较大的温差，炉墙大量放出本身的热量（显热），因引起结焦初期碳化室墙面温度急剧下降，且波及燃烧室侧面温度也将下降，并可能引起硅砖因温度急变而变形损坏。但炉墙减薄可提高传热速率，这又可能减缓碳化室墙面的降温。炉墙厚度增大，则相反，且热惯性大，温度调节的灵敏性差。焦炉用砖量多，基建投资高。所以，选择适宜的炉墙厚度，使其在保证炉体强度的条件下，具有最大的传热速率（热流），又防止碳化室墙面温度在装煤初期降至高低型晶形转化点600～700℃以下。故此专题对当前采用高密度硅砖减薄炉墙以提高结焦速度进行研究，增加焦炭产量、质量具有实际意义。

2 不稳定导热微分方程推导及应用

　　焦炉火道内的传热方式以辐射传热为主，对流为次。由于周转性装煤与出焦，炉墙与煤料的温度 随结焦时间（τ）的变化而变化，故是属于不稳定的导热过程。
2.1 不稳定导热微分方程的推导
　　根据平壁不稳定传热机理，焦炉炉墙（或煤料）内单元体热焓的增量dQ可由下式计算：

dQ=dQ₁-dQ₂           （1）

    由付立叶定律可知：

dQ₁=       （2）

dQ₂=       （3）

        （4）

 将（2）、（3）、（4）代入（1）式经整理后得：

    （5）

    焦炉炉墙（或煤料）内的传热可看作一维空间的无限平壁，若只考虑X方向的传热，密度（ρ）、比热容（C_p）、热导率（λ）均可视为常数，则上式可简化为：

          （6）

式中 a =——热扩散率，m²/h。是物体的一种物理参数，表示物体具有的温度变化能力，是物体

散热能力（λ）与蓄热能力（ρC_P）之比，只在温度发生变化 时才被反映出来，a值越大，表示温度变化越快。
　　公式（6）是火道温度（t）与结焦时间（τ）及炉墙与碳化室宽度（x）三者间不稳定导热的微分方程式。
2.2 用有限差量法处理微分方程式
　　公式可以用多种方法处理，而采用有限差量法是一种简便、精确、有效的方法。这种方法的实质是用有限差值来代替热微分方程式中各个无穷小的增量，也即把不稳定导热过程看作为若干个连续进行的有限个稳定导热过程，即把式（6）按来处理。将炉墙分成若干层,任意层用i表示,

每层厚度为△x,结焦时间分为若干△τ，从结焦开始到某一时刻的值用k表示，故炉墙中某一层在某一结焦时间的温度即为t_i,k,推导过程略，得结果：

t_i,k+1=(t_i+1,k+t_i-1,k)/2      (7)

    即当时，i层后一个时间单元k+1的温度t_i,k+1等于某时间单元k在相邻层（i-1）和

（i+1）的温度t_i-1,k及t_i+1,k之和的一半。

3 炉墙减薄后热流的变化

　　现代焦炉的炉墙，最早厚120mm，以后几乎是以每次减5mm的速度变化。我国目前用的最普遍的炉墙厚度为105、100、94mm三种，试验焦炉有的用80mm。国外焦炉的炉墙基本上也是此种情况，但德国建造的工业试验装置，碳化室高10m，长10m，宽850mm（仅为商品规模的一半），炉墙的厚度仅为60mm。本研究以100、80、60mm三种炉墙厚度计算炉温与热流的变化，并以60mm为例。
3.1 已知条件
　　燃烧室侧墙面温度为1300℃，视为常数，碳化室侧墙面温度在装煤前为1100℃，装煤后2h降至最低点730℃，然后再升温，炉墙厚60mm，热扩散率a为20×10^-4m²/h，热导率为6.7kJ/(m.h.℃)。
3.2 炉墙各层温度与热流变化
　　（1）刚装煤k为0时：炉墙均分三层，Δx为0.02m，各层温度按直线下降，故k为0时，各层温度t_i,0见表1中第一行。
　　（2）碳化室墙面i为0时：时间间隔为：

    2h内温度共降低370℃，则间隔0.1h,温度降为18.5℃,故i为0,各段时间温度t_0,k见表1中第一列。
　　（3）各层、各段时间温度用式（7）进行计算，结果见表1。现举一例：t_0,1=1081.5℃,t_2,1=1233.3℃，则t_1,2=(1081.5+1233.3)/2=1157.4℃。又如：t_1,3=1145.2℃，t_3,3=1300℃,则t_2,4=(1148.2+1300)/2=1224.1℃。
　　（4）热流计算：燃烧室传入炉墙热流：　　

（1300-1233.3）=22344.5kJ/(m².h)

　　炉墙传给煤料热流：　　

（1166.7-1081.5）=28542kJ/(m².h)

　　计算结果见表1。从表1中数据可知：在结焦初2h内，从燃烧室传入碳化室墙面热流q'_入小于从碳化室墙面传给煤料的热流q'_出，因此炉墙温度要下降。炉墙厚度100mm和80mm计算同上 。

表1  炉墙厚60mm的温度（℃）和热流（kJ/(m².h)）

3.3 蓄热室蓄热量变化
　　不同厚度炉墙在不同时间内蓄热室蓄热量的变化见表2。

表2  炉墙厚100、80、60mm蓄热量变化 kJ/(m².h)

3.4 炉墙减薄后碳化室墙的温度降变化
　　炉墙减薄后，由于传热量ｑ和蓄热量ｈ的变化，因而实际上碳化室侧墙面温度降是变化的，计算结果见表3。计算结果表明，装煤后2h，碳化室侧墙面温度及变化，炉墙厚度100mm为730℃，而炉墙减至60mm时温度反而升至787.53℃。

表3  60mm碳化室墙面温降变化  kJ/(m².h)

注：与表1中序号为0项进行比较。
△ｑ_入，△ｑ_出:分别为炉墙厚度60mm与100mm输入与输出热量差值；△ｑ_入-△ｑ_出:炉墙减薄前后，传热量的变化量；△H:炉墙减薄前后，蓄热量的变化量；△ｑ=△ｑ_入-△ｑ_出-△H :炉墙减薄前后，传热量与蓄热量的差；△ｔ：温差；△ｑ= F.r.δ.△t = 1×1900×0.06×1.005/0.1×△t = 1145.7×△t，故△t =△q/1145.7，℃。
如计算0.4h时的温度，由表1可知，ｉ＝0，ｔ＝1026℃，故炉墙减薄至60mm时，墙面温度为：ｔ_0.4＝1026-0.38-1.37+1.09+1.38＝1026.72℃

4 结 论

4.1 用有限差量法解不稳定导热方程适用于计算碳化室墙面温度，并由此确定装煤后不同时间内碳化室炉墙的热流，对100、80、60mm三种炉墙厚度均进行了计算。
4.2 炉墙减薄后虽然蓄热量减少，但因为火道传给碳化室的热量大于炉墙给煤料的热量，即传热量大于蓄热量，故炉墙减薄后碳化室侧墙温度的下降值反而略有减少，即炉墙温度反而略有增加。经计算：炉墙厚度从100mm减至80mm时，碳化室侧墙面温度从730℃增加到744.27℃；炉墙厚度减至60mm时，墙面温度增加到787.53℃，增加了57.53℃。
4.3 使用薄墙焦炉可大大提高传热速率，提高热效率，同时也不必担心使用薄墙焦炉后碳化室侧墙温度在装煤初期降至高低型晶体软化点600～700℃以下，在炉墙减薄的同时使用高密度硅砖，表1中热导率λ为7.54kJ/(m.h.℃)。这不但能增加炉墙强度，而且能提高传热速率与热效率。
4.4 炉墙每减薄10mm，结焦时间可缩短1h，焦炭产量提高10％。
4.5 薄炉墙焦炉的强度和一代炉龄有待进一步实践。

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